专利名称：用于风力涡轮机的无刷滑环以及组装的方法
技术领域：
本公开大体上涉及发电机，并且更加具体地涉及与风力渴轮发电 冲几一起使用以传递电流的滑环。
背景技术：
由于能源价格增加，风力涡轮机作为环境安全和相对廉价的替代 能源已受到越来越多的关注。由于这个不断增加的兴趣，已经作出相 当大的努力以发展可靠并且有效的风力涡轮机。
一般来说，已知的风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。该转子 安装到置于桁架或圆筒式塔顶部的外壳或机抢。公用事业级的风力涡 轮机(例如，设计以向公用事业输电网供电的风力涡轮机)可以具有
大的转子(例如，直径上30米或更大)。转子上的叶片将风能转换 成旋转力矩或力，其驱动可直接地或通过齿轮箱与转子旋转地联接的 一个或多个发电机。齿轮箱增加或提升对于发电机的涡轮机转子的固 有的低的旋转速度以有效地将机械能转换成电能，其接着传输到公用 事业输电网。
包括直接驱动发电机的风力涡轮机排除齿轮箱以及与齿轮箱关 联的可靠性问题。然而，至少在一些已知的直接驱动或齿轮传动式风 力涡轮机中，用于从旋转轴向固定构件传递电流的滑环可过早地失 效。已知的滑环一般使用电刷组以传递电流。然而，这样的电刷组随 着时间推移磨损并且一般需要定期更换。电刷组的更换增加了与风力 涡寿仑机关联的运转成本。在某些情况下，电刷组的更换可要求风力涡 轮机在非生产以及非运转状况下处于离线状态。
另外，至少有一些已知的滑环组件^^用汞以传递电流经过滑环组件。尽管稍微有用，但是汞的包含可不利地影响滑环的制造、分配、 运转和维护，因为汞是有毒的，并且是需要特殊处理的危险材料。
发明内容
在一个方面，提供无刷的滑环。无刷滑环包括第一导电旋转构件 和置于离第 一导电旋转构件预定距离的第二导电不旋转构件。导电的 半固体材料使第 一导电旋转构件电联接于第二导电不旋转构件。半固 体材料配置成将电流/人旋转构件传递到不旋转构件。
在另一个方面，提供风力涡轮机。风力涡轮机包括结构底座以及 由结构底座支撑的风力驱动电力发电机。风力涡轮机具有旋转轴和至 少一个从旋转轴伸出的可旋转的叶片。发电机还包括至少一个联^妄于 其中的无刷滑环。无刷滑环包括第一导电旋转构件、第二导电不旋转 构件和导电的半固体材料。第二导电不旋转构件通过导电半固体材料 联接于第 一导电旋转构件使得第 一构件离第二构件预定距离。半固体 材料配置成以将电流从旋转构件传递到不旋转构件。
在另外的方面，纟是供组装无刷滑环的方法。方法包括绕可旋转轴 联接第 一导电旋转构件，和使用导电半固体材料使第二导电不旋转构 件电联接于第 一构件使得笫 一构件离第二构件预定距离。使用半固体 材料将电流从旋转构件传递到不旋转构件。
因此将注意到本发明的配置提供带有无刷滑环的风力涡轮机，其 具有增加的运转耐久性。此外，也将注意到本发明的一些配置提供其 他优势，例如增加的风力涡4仑^L生产率。
图1是示范风力涡轮机的侧示意图。
图2是可与在图1中示出的风力涡轮机一起使用的并且包括与发 电机联接的齿轮传动系统的机抢的剖视透视图。
图3是示范直接驱动风力涡轮发电机配置的侧剖视图。图4是可与在图2和图3中示出的风力涡轮机配置一起使用的示 范无刷滑环的横截示意图。
部件列表
100风力涡轮机簡转子叶片
102机舱110轮毂
104塔212控制面板
106转子214叶片螺距驱动件
222联接器216主转子轴
224偏转驱动件218齿轮箱
226偏转平台220发电机
228气象杆300直接驱动风力涡轮机
230主轴承302机舱
232主框架304滑环
312轴承306绝缘管
314面308绝缘层
316旋转轴310直接驱动发电机
318面■滑环
408旋转电元件402外壳
410不旋转套管404轴
412导电旋转构件406中心线
414腔422端口
415绝缘材料423中心孔
416不旋转构件424电导体
417间隙426固定电源/能量储存装置
418半固体材料428储存装置
420密封件430电力管理系统
具体实施例方式
在一些配置中并且参照图1,风力涡轮机100包括容纳发电机(图 1中没有示出)的机艙102。在示范实施例中，机抢102联接于高塔 104顶上，仅其的一部分在图1中示出。风力涡轮机IOO也包括转子 106,其包括一个或多个联接于旋转轮毂110的转子叶片108。尽管在 图1中示出的风力涡轮机100包括三个转子叶片108，但是本发明没 有要求对转子叶片108的数量的具体限制。
在一些配置中并且参照图2,各种不同的部件容纳在风力涡l仑才几 IOO(在图1中示出)的塔104的顶上(在图1中示出)的机抢102中。 基于在本领域中已知的因素和条件选择塔104的高度(没有示出)。 在一些配置中，在控制面板212内的一个或多个微控制器(没有示出) 包括用于整个系统监测和风力涡轮^W空制的控制系统。备选的分散式 或集中控制式结构可用在一些配置中。
在一些配置中，提供可变叶片螺距驱动件214以基于风向大致上 同时控制叶片108 (在图1中示出)的螺距。在其他配置中，叶片108 的螺距由叶片螺距驱动件214分别控制。
风力涡轮机100的传动系统包括主转子轴216,也称为"低速轴"， 通过主轴承230在第一端216a处联接于轮毂110,在一些配置中，在 轴216的另一端216b处联接于齿轮箱218。齿轮箱218驱动电力发电 机220的高速轴(在图2中未示出)。在其他配置中，主转子轴216 直接联接于发电机220。高速轴用于驱动发电机220。发电机220安 装在主框架232上。在一些配置中，转子力矩通过3f关接器222传递。 在示范实施例中，发电机220是直接驱动永磁发电机。
在示范实施例中，偏转驱动件(yaw drive) 224和偏转平台(yaw deck) 226为风力涡轮机100提供偏转定向系统。气象杆228为包括 偏转定向系统的涡轮机控制系统4是供信息。气象杆228可包括对于风 向和/或风速的仪器传感器。在一些配置中，偏转定向系统安装在塔 104顶上。图3是直接驱动风力涡轮4几300的示范实施例的侧剖视图。在示 范实施例中，风力涡轮机300包括转子106、机舱302、滑环304、由 绝缘材料制成的绝缘管306、绝缘层308和塔104。在示范实施例中， 机舱302包括直接驱动发电机310、多个轴承312、旋转轴316和控 制面板212。此外，在示范实施例中，直接驱动风力涡4仑机300不包 括齿轮箱218。绝缘管306用绝缘材料制成。绝缘层308在轮毂110 和直接驱动发电机310之间延伸以电隔离发电机310和轮毂110。绝 缘层308也在轴承312和轮毂110间延伸以电隔离轴承312与轮毂 110。在示范实施例中，绝缘层308跨越轴承312的面314和发电机 310的面318而形成。使面314和318朝向面对轮毂110。滑环304 安装在绝缘管306上，并且旋转轴316包围绝缘管306并且大致上与 绝缘管306同心。绝缘管306从轮毂110延伸到塔104。滑环304联 接于绝缘管306内的导体。
直接驱动风力涡轮机300使用转子106和旋转轴316以直接驱动 发电机310。旋转轴316随转子106旋转并且旋转轴316由例如联接 于绝缘管306的轴承312等的多个轴承支撑。轴承使旋转轴316能够 关于绝缘管316旋转。直接驱动风力涡轮机300具有可变速配置并且 使用控制面板212,以控制风力涡轮机300并且直接驱动发电才几310。 在一些实施例中，控制面板212还可将直接驱动发电机310的可变压、 可变频电力转换成标准公用事业电压和频率。转子叶片108的旋转能 通过轮毂H0传递到直接驱动发电机310，其相应地使用该旋转能而 发电。
图4说明了可与齿轮箱风力涡轮机配置(在图2中示出)和直接 驱动风力涡轮机配置(在图3中示出) 一起使用的示范无刷滑环400 的横截面示意图。滑环400用于将电流和/或数据信号从旋转轴传递到 如下面详细说明的相邻的固定构件中。无刷滑环的下列说明既适用于 风力涡專仑机配置，也适用于其他其中需要将电流或信号从旋转构件传 递到相邻的固定构件的实现。在示范实施例中，无刷滑环400包括包围可旋转轴404的外壳 402。轴404绕轴中心线406》走转。 一个或多个旋转电元件408联接 于可旋转轴404。另外，至少一个不导电的套管410包围轴404。至 少一个导电旋转构件4l2/人套管410径向向外至少部分地延伸进入在 外壳402内限定的腔414中。导电不旋转构件416置于腔414内，通 过绝缘材料415与腔414电隔离并且离旋转构件412间隔预定的距离。 腔414还包含导电的半固体材料418,其将旋转构件412电联接于不 旋转构件416。 一个或多个的腔密封件420在外壳402和套管410之 间联接，使得在腔414内的材料418与可旋转轴404和任何远离腔414 的相邻腔电隔离。
在示范实施例中，外壳402是环形的并且形成有大致上与中心线 406同心的中心孔423。外壳402还包括在其中形成的内部圆周腔414。 外壳402可用一个或更多的几个已知的制造工艺制造，例如但不限于 铸造、机械加工、注射成型、热成型、挤压和/或任何其他那些本领域 内普通技术人员认识的技术。如由实施的特定的制造工艺决定的，许 多适合的材料可用于制造外壳402。例如，在实施例中，外壳402可 使用高分子化合物注射成型。外壳402可是透明的或半透明的，使得 在腔414内的导电半固体材料418的量或水平可通过外部目 一见^r查确 定。
在示范实施例中，外壳402包括一个或多个在其中形成或配备的 从外部可进入的端口 422。每个端口 422可用于在制造期间用导电半 固体材料418填充腔414,和/或便于才企查和维护程序。另外，端口 422 可以用于在运转期间排出或吹走腔414的过量空气。
轴404延伸穿过外壳402并且可绕中心线406旋转。轴404包括 一个或多个随轴404旋转的旋转电元件408。例如，旋转电元件408
可是发电机或电动坤几的电枢。
此外，至少一个不导电套管410联接到并且随轴404旋转。套管 410置于孔423内并且与一个或多个密封件420接合，使得腔414限定在外壳402和套管410之间。密封件420可是联接到外壳402并且 使轴402和套管410在其中旋转的固定式的密封件或者，密封件420
式密封件。套管410可使用任何几个已知的制造工艺制造，例如但不 限于铸造、才几械加工、注射成型、热成型、4齐压和/或任4可其他那些本 领域内普通技术人员认识的技术。如由实施的特定的制造工艺要求 的，许多适合的材料可用于制造不导电套管410,例如但不限于塑料、 尼龙、和/或任何其他不导电材料。
在示范实施例中，至少一个导电旋转构件412从不导电套管410 大致径向地延伸进入腔414。旋转构件412和构件416分别用使流动 电流能够通过那里的导电材料制造。例如，构件412可用但不限于铜、 黄铜、钢、和/或铝制造。在示范实施例中，导电旋转构件412是包围 不导电套管410并且径向延伸进入腔414的圆环。或者，导电旋转构 件412可具有任何其他的形状，其使滑环400能够起这里^L明的作用。 例如，构件412可用楔形部分制造或包括楔形部分，其绕套管410分 隔开。备选地，构件412可是半圆形的和/或包括多个孔或开口，其使 导电半固体材料能够通过那里流动。在示范实施例中，构件412还包
脉状物424。鳍片424的使用增加与导电半固体材料418接触的表面 面积的量并且从而便于增加可以通过滑环400传递的总电流。
旋转构件412通过一个或多个电导体424电联接于一个或多个旋 转电元件408。电导体424可联接于旋转电元件408的输入、输出或 其的任何组合。每个电导体424延伸穿过不导电套管410并且隔离流 过导体424的电流与可旋转轴404。
在一些实施例中，不旋转构件416置于外壳402的腔414内使得 构件416大致上符合腔414的内表面。或者，在另一个实施例中，导 电不旋转构件416仅部分地符合腔内表面的一部分。在每个实施例中， 导电不旋转构件416靠近并且接近导电旋转构件412放置，使得间隙417限定在构件412和416之间并且使得构件412和416不彼此物理 接触。在另一个示范实施例中，通过在构件416和腔414的内表面之 间放置绝缘材料415，不旋转构件416与腔414的内表面电隔离。绝 缘材料415可是例如橡胶、尼龙、陶乾或阻止电流的流动通过那里的 其他材料等的任何不导电材料。
在另 一个示范实施例中，倒转上文说明的无刷滑环的配置使得轴 具有腔而外壳具有延伸进入腔的导体。例如，可旋转轴可在结构上配 置以限定在其中包括腔的环形外壳。在这个实施例中，第一导电构件 联接于外部外壳并且延伸进入在可旋转轴中形成的腔。第二导电构件 置于腔内并且随轴旋转。导电半固体材料包含在腔内并且使第 一和第 二导电构件电联接。
不旋转构件416通过至少一个电导体424电联接于一个或多个固 定电源426。另外，不旋转构件416可通过至少一个电导体424电联 接于至少一个固定能量储存装置428。如此，电导体424可分別联接 于固定电源/能量储存装置426和428的输入、输出和/或其的任何组 合。电导体424通过在外壳402中形成的孔或通道延伸穿过外壳402。 备选地，不旋转构件416和电导体424可在外壳402内一体式形成。
在另一个示范实施例中，电源426和能量储存装置428可结合为 例如电力管理系统430等的 一 个装置。电力管理系统430可配置以提 供例如可逆的电源和电力消耗者等的附加功能。另外，电力管理系统 430还可包含对于发电风力涡轮机100的操作使用的一个或多个数据 信号。
分别在导电不旋转和旋转构件416和412之间包含半固体材料 418，并且半固体材料418在其之间提供电联接。在示范实施例中， 半固体材料418是已经浸渍或填充有金属材料的润滑脂。当构件412 关于构件416旋转时，材料418使电流能够从旋转构件412流到不旋 转构件416。材料418可是几个已知复合物中的一个，例如但不限于 填充银的润滑脂、填充铜的润滑脂、和/或填充铁的润滑脂。尽管半固体材料418说明为润滑脂，预期可使用高黏度的浸渍金属的流体，例 如但不限于银、铜、合金、和/或填充铁的双曲线齿轮油。还预期半固 体材料418可是使电流能够通过那里流动的导电油或导电粉末。导电 粉末可是但不限于石墨粉末、木炭粉末或由导电微球体组成的粉末。 在实施例中，导电半固体材料418大致上在标准温度和压力下保持它 的形态。 一个示范导电半固体材料是来自宾夕法尼亚州西切斯特的 SPI Supplies的市场可获得的填充^l艮的润滑脂。
在一些实施例中，导电半固体材料418仅部分地填充腔414使得 材料418具有在腔414内热膨胀的空间。在备选配置中，材料418大 致上填满腔414使得半固体材料418的体积近似等于腔414的容积。 在另一个备选配置中，外壳402可是柔性的使得外壳402可以部分地 膨胀以适应材料418的热膨胀。本领域内普通技术人员中之一应该意
和运转条件决定。
在示范实施例中，多个无刷滑环400可合作使用以提供如各种不 同的安装和运转条件要求的增加的功能。例如，在电力发电机应用中， 可组合一对无刷滑环400;其中第一个向电力发电机的电枢供应初始 电压，并且其中第二个用于从电枢接收输出功率。另外的例子为提供 多个无刷滑环400以在多相电力系统中使用，例如为在3相电力系统 使用的3个无刷滑环。另外，多个无刷滑环可用于仪器系统中用于从 移动构件向不移动构件传递多个lt据信号。
在另 一个示范实施例中，导电旋转构件412和导电不旋转构件416 可取向于以在其间线性移动。在这个备选实施例中，预期旋转构件412 可滑动地联接于导电不移动构件416。在这样的实施例中，导电半固 体材料包含在移动和不移动构件之间形成的腔内并且使这些构件电 联接。
另 一个示范实施例纟是供包括两个旋转导电构件的无刷滑环。预期 联接于外壳的第二导电构件可随外壳旋转。在这个实施例中，外壳和轴都可关于彼此旋转并且可以不同的旋转速度旋转。旋转外壳和轴在 相同的方向、相反的方向或其的组合上》走转。
在另 一个变化形式中，无刷滑环的示范实施例安装在例如吊车、 机器人组件或使用多个移动部件的其他设备等的更大动态系统中。在 这个实施例中，外壳和第二导体可关于可旋转轴和第 一导体是不可旋 转的，然而外壳和轴可随更大的动态系统的部件移动、平移或旋转。
在运转中，这里说明的无刷滑环提供改进的和有效的方法用于从 旋转构件向固定构件或在备选方案中从第一移动构件向第二移动构 件传导电信号和/或电功率。无刷滑环使用包含在外壳腔内的导电半固 体材料，其中具有第 一导电构件的可旋转轴可关于置于外壳内的第二 导电构件旋转并且电流和/或信号可在两个导电构件之间传递。
无刷滑环的示范实施例和传递电流的方法在上文中详细说明了 。
体的部件，相反地，这里说明的无刷滑环可独立地并且与这里说明的 其他部件和系统分开地使用或用于这里没有说明的其他装置。例如， 其他涡轮机部件也可以使用这里说明的无刷滑环，例如测量旋转轴的 性能参数的仪器系统。在备选方案中，轴可是固定的并且配置外壳以 绕轴旋转。
域内技术人员将认识到本发明可以带有在权利要求的精神和范围内 的改动而实践。
权利要求
1.一种无刷滑环(400)，包括第一导电旋转构件(412)；第二导电不旋转构件(416)，置于离所述第一导电旋转构件预定距离；以及导电半固体材料(418)，其使所述第一导电旋转构件电联接于所述第二导电不旋转构件，所述半固体材料配置成以将电流从所述旋转构件传递到所述不旋转构件。
2. 如权利要求1所述的无刷滑环(400 )，还包括不导电套管(410 ), 所述第一导电构件(412)包围所述不导电套管(410),所述套管电 隔离至少所述第一导电构件与旋转轴(404)。
3. 如权利要求1所述的无刷滑环(400)，还包括 包括外壁的环形外壳(402)，所述外壁包括至少一个延伸穿过其的孔(423 )，所述外壳限定其内的腔(414)，所述导电半固体材 料(418)和所述第二导电不旋转构件(416)容纳在所述腔内；以及 绝缘材料(415)，置于所述第二导电不旋转构件和所述腔之间， 所述材料电隔离至少所述第二导电构件与所述外壳。
4. 如权利要求3所述的无刷滑环(400)，其中所述第一导电旋 转构件(412)延伸进入所述腔(414)。
5. 如权利要求3所述的无刷滑环(400)，其中所述外壳(402) 包围旋转轴(404)。
6. 如权利要求3所述的无刷滑环(400),还包括至少一对联接 于所述外壳(402)并且配置成以保持所述导电半固体材料(418)在 所述腔(414)内的密封件(420)。
7. 如权利要求3所述的无刷滑环(400),其中所述第二导电不 旋转构件(416)大致上包围所述第一导电旋转构件(412)。
8. 如权利要求1所述的无刷滑环(400),其中所述导电半固体材料(418)包括银浸渍润滑脂、碳浸渍润滑脂、金属合金浸渍润滑 脂、导电油和导电粉末中的至少一个。
9. 一种风力涡轮机(100),包括 结构底座；以及由所述结构底座支撑并且包括旋转轴(404)和至少一个从其伸 出的可旋转叶片(108)的风力驱动电力发电机(220),所述发电机 还包括至少一个在其中联接的无刷滑环(400)，所述滑环包括第一 导电旋转构件(412)、第二导电不旋转构件(416)和导电半固体材 料(418),所述第二导电不旋转构件通过所述导电半固体材料联接 于所述第一导电旋转构件使得所述第一构件离所述第二构件预定距 离，所述半固体材料配置成以将电流从所述旋转构件传递到所述非旋 转构件。
10. 如权利要求9所述的风力涡轮机(100),还包括包围所述 旋转轴(404)的不导电套管(410)，所述套管电隔离所述第一构件 与所述旋转轴。
全文摘要
本发明公开了用于风力涡轮机的无刷滑环以及组装的方法。提供无刷滑环(400)。无刷滑环(400)包括第一导电旋转构件(412)，离第一导电旋转构件预定距离而设置的第二导电不旋转构件(416)，以及使第一导电旋转构件电联接于第二导电不旋转构件的导电半固体材料(418)，配置半固体材料以将电流从旋转构件传递到不旋转构件。
文档编号H01R39/08GK101626132SQ20091013998
公开日2010年1月13日 申请日期2009年7月13日 优先权日2008年7月11日
发明者J·J·尼斯 申请人:通用电气公司